ТЭН. Выбор, расчет, обозначение, характеристики нагревательных элементов ТЭНов.
1. Нагревательные элементы
Под нагревательным элементом понимают нагревательное сопротивление, его изоляцию, каркас и защитную оболочку.
Нагреватели подразделяются на открытые, защищенные и герметические. Открытые передают тепло излучением и конвекцией. Нагреватели защищенного типа и герметического исполнения передают тепло в основном конвекцией.
Наиболее широко распространены трубчатые электронагревательные элементы — ТЭНы, которые можно устанавливать почти во все нагревательные приборы. Однако во многих низкотемпературных приборах используют открытые спирали, защищенные самой конструкцией прибора, как более простые и дешевые.
Заводы серийно выпускают трубчатые электронагреватели диаметром трубки 9—16 мм, при толщине стенки — 0,8—1,5 мм и максимальной длине 6 м.
Нагревательная спираль, как правило, изготавливается из поволоки сплава Х20 Н80 и Х15 Н60 диаметром 0,2—1,6 мм.
Рис. 1. Трубчатый электронагреватель: 1 — спираль; 2 — теплоизоляционный материал; 3 — металлическая трубка; 4 — токоведущий стержень; 5 — изоляционная втулка
Внешняя трубка выполняется из стали Ст10 или 1 Х18 Н10 Т, меди, латуни, алюминия. При изготовлении ТЭНы заполняют периклазом (плавленая окись магния), затем обжимают и герметизируют. Трубке нагревателя можно придать любую желаемую форму при условии, что изгиб делается в холодном состоянии после отжига трубки и радиус изгиба не меньше 2,5 диаметров трубки. Спираль при этом сохраняет центральное положение в трубке.
Срок службы ТЭНов 10000 часов, гарантийный срок 3000 часов.
1.1. ТЭНы промышленного назначения, ГОСТ 13268—88
Рис. 2. Примеры конфигурации ТЭНов промышленного назначения
Нагрев воздуха, литейных форм и т.д. Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь. Мощность от 0,2 до 5 кВт
Нагрев воды, воздуха и т.д.
Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,2 до 6,3 кВт
Нагрев воды, воздуха и т.д.
Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,2 до 6,3 кВт
ТЭНы для дистилляторов.
Материал оболочки: нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,5 до 3 кВт
Нагрев воды, воздуха и т.д.
Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность от 0,2 до 3,6 кВт
Нагрев воды, воздуха и т.д.
Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность до 5 кВт
Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь. Мощность до 4 кВт
Оребренные ТЭНы. Мощность до 6,3 кВт
1.2. Обозначение ТЭНов по ГОСТ 13268—88 (для промышленного оборудования)
Пример обозначения ТЭНа: ТЭН 170 С 13/0,4 S 220
170 — развернутая длина ТЭН по трубе: от 30 до 450 см; С — тип контактного стержня (длина), см. табл.
Структура условного обозначения ТЭН:
Пример обозначения ТЭН
ТЭН-100A13/3,5″Р»220
ТЭН — трубчатый электронагреватель;
100 — развернутая длина ТЭН по оболочке (трубке) L (рис. 1), мм
А — обозначение заделки контактного стержня в мм
Lk (рис.1, табл.1)или численное значение заделки Lk в см.;
13 — диаметр оболочки ТЭН D (рис.1), мм;
3,5 — номинальная мощность, кВт;
«Р» — обозначение нагреваемой среды
и материала оболочки (трубки)ТЭН (табл. 2или табл. 3)
220 — номинальное напряжение, питания V.
Таблица 1.
Стандартная заделка Lk (рис. 1) контактного стержня ТЭН.
Обозначение
Величина, мм
A
B
C
D
E
F
G
H
КОНСТРУКЦИЯ ТЭН. ДЛИНА «Lk»КОНТАКТНОГО СТЕРЖНЯ В ХОЛОДНОЙ ЗОНЕ ЗАДЕЛКИ
Таблица 2.
Условное обозначение нагреваемой среды и материала оболочки (трубки)
для промышленных ТЭН.
Условное обозначение
Нагреваемая среда
Характер нагрева
Материал оболочки
X
Вода, слабый раствор щелочей и кислот (pH от 5 до 9)
Нагрев и кипячение с максимальной температурой на оболочке 100°С
Медь и латунь (с покрытиями)
J
Вода, слабый раствор кислот (pH от 5 до 7)
Нагрев и кипячение с максимальной температурой на оболочке 100°С
P
Вода, слабый раствор щелочей (pH от 7 до 9)
Нагрев, кипячение с максимальной температурой на оболочке 100°С
Углеродистая черная сталь
S
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в спокойной газово-воздушной среде до температуры на оболочке ТЭН 450°С
Углеродистая черная сталь
T
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в спокойной газово-воздушной среде с температурой на оболочке ТЭН свыше 450°С
O
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в движущейся со скоростью 6м/с воздушной среде до температуры на оболочке ТЭН 450 °С
Углеродистая черная сталь
K
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в движущейся со скоростью не менее 6м/с воздушно-газовой среде с температурой на оболочке ТЭН св. 450 °С
R
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в движущейся со скоростью менее 6м/с воздушной среде до температуры на оболочке ТЭН 450 °С
Углеродистая черная сталь
N
Воздух и пр. газы и смеси газов
Нагрев в движущейся со скоростью менее 6м/с воздушной среде с температурой на оболочке ТЭН св. 450 °С
Z
Нагрев в емкостях, резервуарах, ваннах и др.
Углеродистая черная сталь
V
Щелочь, щелочно-селитровая смесь
Нагрев и плавление в ваннах и др. емкостях и резервуарах с температурой на оболочке ТЭН до 600 °С
Углеродистая черная сталь
W
Легкоплавкие металлы: олово, свинец и др.
Нагрев и плавление в ваннах и др. емкостях с температурой на оболочке ТЭН до 450 °С
L
Литейные формы, пресс-формы
ТЭН вставлен в паз или отверстие обеспечен гарантированный контакт с нагреваемым металлом, температура на оболочке ТЭН до 450 °С
Y
Металлические плиты из алюминиевых сплавов
ТЭН залит в форму металлом и работает в составе с терморегуляторами и термостатами с термо-ограничителями, температура на оболочке ТЭН до 320 °С
Таблица 3.
Условное обозначение нагреваемой среды и материала оболочки для бытовых ТЭН.
Условное обозначение
Нагреваемая среда
Характер нагрева
Материал оболочки
Х
Вода, слабый раствор щелочей и кислот (pH от 5 до 9)
Медь и латунь (с покрытиями)
Р
Вода, слабый раствор щелочей (pH от 7 до 9)
П
Вода, слабый раствор щелочей и кислот (pH от 5 до 9)
Углеродистая черная сталь
С
Нагрев в спокойной воздушно-газовой среде до 500°С на оболочке ТЭН
Углеродистая черная сталь
Т
Нагрев в спокойной воздушно-газовой среде до 700°С на оболочке ТЭН
О
Нагрев в движущейся со скоростью не менее 6м/с воздушной. газовой среде до 500 °С на оболочке ТЭН
Углеродистая черная сталь
Э
Нагрев в движущейся со скоростью менее 6м/с газово-воздушной среде до 500 °С на оболочке ТЭН
Углеродистая черная сталь
Нагрев в резервуарах и др. емкостях, ваннах до 300 °С на оболочке ТЭН
Углеродистая черная сталь
У-1
ТЭН залит в форму металлом, работает с ПИД-регуляторами, терморегуляторами (терморегуляторами, термовыключателями), температура на оболочке ТЭН до 500 °С.
Углеродистая черная сталь
У-2
Подошвы электроутюгов, металлические плиты из алюминиевых сплавов, металлические формы (стальные и чугунные) прочее бытовое оборудование
ТЭН вставлен в технологическое отверстие, паз или запрессован в нагревающее изделие, работает с термо-предохранителями,термостатами
термо-ограничителями (терморегуляторами, термовыключателями), температура на оболочке ТЭН до 500 °С.
Углеродистая черная сталь
Расчёт мощности ТЭН
Максимальная мощность P.мах ТЭН зависит от;
нагреваемой среды, материала оболочки, характера нагрева, площади активной поверхности (Рис. 1).
рассчитывается по формуле:
P.мах = P уд.мах х S ,
где:
S , см 2 — площадь активной поверхности;
P уд.мах , Вт/см 2 — максимальная удельная мощность.
Таблица 4. P уд.мах для ТЭН промышленного назначения.
Условное обозначение (см. табл. 2)
P уд.мах, Вт/см 2
X
J
P
S
T
O
K
R
N
Z
V
W
L
Y
Таблица 5. P уд.мах для ТЭН бытового назначения.
Условное обозначение (см. табл. 3)
P уд.мах, Вт/см 2
Х
Р
П
С
Т
О
Э
И
У-1
У-2
Расчет максимальной мощности P.мах промышленного ТЭН
Пример:
ТЭН150А13/8″Р»220, где:
150 — развернутая длина, см.;
А — (40) — заделка контактного стержня (табл. 1), мм;
13 — диаметр оболочки, мм;
8 — номинальная мощность ТЭН, кВт;
«Р» — обозначение среды и материала оболочки.
В табл. №4 условному обозначению «Р» соответствует значение P уд .мах=15 Вт/см 2
Активная длина ТЭН (см. рис. 1), в см : La = L — 2 x Lk = 150см — 2 х 4см = 142см.
Площадь активной поверхности (см. рис. 1), см 2 : S=( Pi х D) х La = 3,14 х 1,3 х 142 = 579,6 см 2 ,
где: (Pi х D) длина оболочки ТЭН по окружности.
Максимальная мощность Рмах, кВт:
Рмах = Р уд .мах х S = 15Вт/см 2 х 580см 2 = 8700Вт ≈ 8,0кВт. (округляем к меньшему значению)
Выбираем номинальную мощность ТЭН меньше максимально-допустимой Pмах : 8кВт
Изготовление ТЭН, мощность которого превышает рекомендуемое максимальное значение мощности, снижает его надежность, долговечность и срок службы.
Рекомендации по выбору ТЭНа
Для выбора ТЭНа необходимо определить количество тепла, необходимое для нагрева среды с учётом всех тепловых потерь. Суммарная мощность электронагревателей определяется из равенства
где Р – мощность, необходимая для нагрева среды с учётом тепловых потерь;
К =1.1-1.3 – коэффициент запаса мощности.
Затем подбирают ТЭН, соответствующий требуемым условиям эксплуатации, т.е. с учётом температуры на оболочке ТЭНа, нагреваемой среды, мощности, напряжения. Выбирают конфигурацию и размеры ТЭНа в зависимости от рабочего пространства комплектуемой установки. Определяют необходимое количество ТЭНов в зависимости от суммарной мощности и мощности одного ТЭНа. Для рационального обеспечения питания установки от трёхфазной электрической сети (исключения перекоса фаз) желательно, чтобы количество ТЭНов было кратно трём. После выбора ТЭНа производят поверочный теплотехнический расчёт с целью определения температуры на оболочке нагревателей, которая зависит от удельной мощности и конкретных условий эксплуатации (условий теплообмена).
Для гарантированного обеспечения заданной температуры оболочки ТЭНа рекомендуется проверять её путём замеров при испытаниях вновь разработанных промышленных установок; при этом установка должна работать в наиболее жёстком режиме. В случае необходимости установка комплектуется терморегулятором. Фактическая температура на оболочке ТЭНа не должна превышать предельно допустимых значений. При этом следует учитывать, что при эксплуатации ТЭНов с меньшими значениями температуры на оболочке их долговечность и надёжность повышаются.
Рекомендации по эксплуатации ТЭН
1. Подготовка электронагревателей к монтажу
Перед монтажом трубчатых электронагревателей необходимо:
1.1. Удалить с оболочки антикоррозионную смазку.
1.2. Очистить поверхность изоляторов и контактных стержней.
1.3. Проверить сопротивление изоляции в холодном состоянии. При падении сопротивления изоляции ниже 0,5 МОм, ТЭН следует просушить при температуре от +120 до +150°С в течение 4-6 часов. Допускается сушка нагревателей путем подключения их на пониженное напряжение или последовательно соединение попарно или по несколько штук.
2. Монтаж электронагревателей
2.1. Монтаж электронагревателей к нагреваемому устройству необходимо осуществлять с помощью крепежной арматуры (штуцеров, зажимов, хомутов, кронштейнов, стяжек, скоб).
2.2. Не допускается крепление нагревателей за контактные стержни.
2.3. При монтаже следует учитывать, что электронагреватели при работе не должны соприкасаться друг с другом, минимально допустимое расстояние между электронагревателями – 5 мм.
2.4. Монтаж электронагревателей работающих в жидких средах осуществляется таким образом, чтобы активная часть нагревателя полностью находилась в жидкости.
2.5. Все токоведущие части следует защитить от случайного прикосновения и от попадания влаги.
2.6. Корпус каждого нагревателя следует надежно заземлить.
2.7. С целью оперативного выявления выхода из строя любого нагревателя, помещенного в агрегат, желательно подключить нагреватели к сети через индивидуальные плавкие вставки, автоматические выключатели, термопредохранители (устройства защитного отключения) для исключения поражения электрическим током при неисправности (нарушении) оболочки ТЭН.
2.8. Все монтажные и демонтажные работы необходимо производить при снятом (отключенном) напряжении.
2.9.При эксплуатации необходимо следить за состоянием контактных стержней и токоподводящих проводов, не допуская ослабления соединений.
3.0.Подтягивать контактные гайки следует осторожно, не допуская проворачивания контактных стержней в корпусе ТЭН.
3.5.Попадание влаги на контактные выводы не допускается.
3.6.Контактные выводы должны хорошо омываться естественным или искусственным потоком холодного воздуха. Высокая температура в зоне герметика торцов нагревателя (свыше 150°С ) снижает срок службы.
3.7.Активная часть ТЭН должна полностью располагаться в рабочей зоне.
3.8.При эксплуатации ТЭН в жидких средах уровень жидкости должен постоянно находиться выше границы активной части нагревателя, а оболочка ТЭН должна периодически очищаться от накипи.
3.9.При нагревании твердых тел (деталей штампов, пресс-форм, литейных форм) должен быть обеспечен надежный тепловой контакт оболочки электронагревателя с нагреваемой средой.
4. Условия транспортировки и хранения
4.1.Транспортирование электронагревателей допускается всеми видами транспорта при условии защиты от влаги и механических повреждений.
4.2.Хранение ТЭН должно осуществляться в отапливаемых и вентилируемых помещениях. Температура окружающего воздуха – от +5 до +40°С . Среднее значение относительной влажности – до 65% при +20°С.
5. Особые условия
5.1.Требующуюся дополнительную информацию о монтаже и эксплуатации электронагревателей можно получить у специалистов нашего предприятия.
5.2.Гарантийные обязательства изготовителя не распространяются на ТЭНы, монтаж и эксплуатация которых производились без соблюдения требований настоящей инструкции.
